Коллектив авторов - На что похоже будущее? Даже ученые не могут предсказать… или могут?

Более 500 лет назад, за несколько столетий до того, как людям в голову пришла идея самого обычного велосипеда, в воображении Леонардо да Винчи родился образ летательного аппарата, вдохновленный полетами животных. Придуманная им конструкция предполагала использование скрепленных шарнирами гибких крыльев из дерева и шелка, которыми можно было бы махать так же, как это делают птицы или летучие мыши. Хотя современные самолеты отчасти сохраняют сходство с двукрылым изобретением Леонардо, они имеют жесткий каркас с небольшим количеством подвижных деталей, которые к тому же перемещаются в строго заданных рамках. Заглядывая в будущее, можно предсказать, что благодаря умным материалам мы сможем преодолеть ограничения, накладываемые жесткостью существующих вариантов конструкции, вернувшись к чертежной доске Леонардо, чтобы воплотить его идею о летательном аппарате, который был бы прочным и гибким, а также мог распознавать особенности окружающей среды и адаптироваться к ним.

Во время полета самолет подвергается действию множества различных сил, с которыми традиционное жесткое крыло зачастую справляется далеко не лучшим образом. В будущем у самолетов могут появиться крылья, поверхность которых будет становиться то плоской, то выпуклой с целью достижения оптимальной подъемной силы аэродинамического профиля. Они будут складываться, удлиняться, скручиваться или прижиматься к фюзеляжу в соответствии с особенностями разных стадий полета. Благодаря этой способности адаптироваться в реальном времени удастся уменьшить сопротивление воздуха и повысить маневренность, что позволит сократить длину разбега перед взлетом и добиться оптимальных аэродинамических показателей непосредственно в воздухе, в условиях полета. В результате самолеты станут еще комфортнее для пассажиров, время полета сократится, а потребление топлива — уменьшится.

Чтобы такой самолет стал реальностью, придется задействовать всю палитру умных материалов. Детали, которые приводят крылья в движение, будут сделаны из сплавов с памятью формы — например, из нитинола, сплава никеля и титана, способного принимать две разные заданные формы в зависимости от температуры. Также в их конструкции будут активно использоваться легкие материалы, способные изменять свою форму, такие, например, как электроактивные полимеры, которые расширяются и сжимаются при подаче и снятии электрического напряжения. Важное значение будут иметь и полимеры с памятью формы — из них будет состоять внешнее покрытие самолета, так как они могут сочетать прочность и жесткость, без которых не справиться с аэродинамическими силами, с чрезвычайной эластичностью и гибкостью, обеспечивающими изменение формы крыла.

Многие из перечисленных «умных» материалов будут также выполнять роль датчиков. Например, пьезоэлектрические материалы и электроактивные полимеры в ответ на физическое воздействие вырабатывают электрические сигналы, которые можно измерить.

Показатель преломления оптических волокон меняется в зависимости от температуры или под воздействием внешней силы, поэтому в конструкции самолета они могут быть использованы не только в качестве прочного и жесткого, но при этом легкого композитного материала, но еще и обеспечивать контроль повреждений и динамической нагрузки во время полета. Эти «умные» композитные материалы можно использовать повсюду — от зданий из «умного» бетона, предупреждающих инженеров о вероятных точках возникновения повреждения, до гибкой электроники.

Благодаря композитам, в которых используется эффект квантового туннелирования, летательные аппараты будут обладать такой же тактильной чувствительностью, как люди. Речь идет об «умных» материалах, которые при сжимании превращаются из изоляторов в проводники. Они заключают в себе мягкую резиновую матрицу, содержащую небольшие частицы никеля. Матрица выступает в качестве электроизолятора: в неактивном состоянии проводящие частицы никеля находятся слишком далеко друг от друга, чтобы композит мог проводить электричество. Но стоит сжать материал, переведя частицы никеля в активное состояние, как они тут же, сближаясь, оказываются на таком расстоянии, что электроны проводимости в никеле могут туннелировать через изолятор, превратив тем самым изолятор в проводник. В квантовой механике местоположение электрона описывается не точными его координатами, а амплитудой вероятности обнаружить электрон в той или иной точке. Когда электрон в частице никеля приближается к барьеру, образуемому изолятором между двумя близко расположенными частицами никеля, амплитуда вероятности обнаружить его с другой стороны барьера, хотя и незначительна, но все же не нулевая. Согласно квантовой механике при достаточно большом количестве электронов, пытающихся оказаться по ту сторону изолирующего барьера, и ненулевой вероятности успешно сделать это некоторым из них действительно везет и они попадают на другую сторону. Эти экзотичные «умные» материалы уже используются в роботах NASA, помогая им определять оптимальное усилие при захватывании объектов. Кроме того, они могут использоваться для разработки нового поколения сенсорных экранов и протезов с возможностью передачи тактильных ощущений для людей с ампутированными конечностями.

Эффективность каждого из рассмотренных в данной главе «умных» материалов была подтверждена на тестовых стендах в лабораторных условиях. Однако существует ряд проблем, которые необходимо решить, прежде чем мы сможем использовать их в повседневной жизни. Во многих случаях время отклика материала на воздействие все еще слишком велико. Некоторые материалы слишком хрупкие или нестабильные. Кроме того, их эффективность может со временем снижаться. Да и сама по себе задача включения таких материалов в конструкцию существующих устройств — далеко не самая простая. Часто возникают проблемы с контролем воздействия стимула, заставляющего материал перейти в другое состояние. Некоторые из материалов токсичны и, как это часто случается с новыми технологиями, имеют чрезмерно высокую стоимость. Также в числе факторов, сдерживающих их широкое применение в настоящее время, — сложность производства и недостаток сырья.

Но я настроена оптимистично, так как верю, что многие из этих проблем будут преодолены в ходе дальнейших исследований, и, подобно тому, как интернет полностью изменил то, как мы взаимодействуем с информацией, «умные» материалы вполне могут перевести на совершенно новый уровень наше взаимодействие с материальным миром. Согласно определению, объект — лишенная способности думать вещь, над которой совершают какие-либо действия. Даже «умные» материалы сами по себе — своего рода актеры одной роли, перескакивающие из одного состояния в другое в зависимости от наличия соответствующего стимула. Но если собрать их вместе и построить из них самолет, способный вырабатывать и накапливать энергию, распознавать и ощущать самого себя и окружающую среду, самоорганизовываться и самовосстанавливаться, адаптироваться к текущей среде и взаимодействовать с подобными себе, то объекты сразу превращаются в нечто куда более живое.